Разработка системы рентгеновской инспекции электронных узлов с микрофокусным излучателем

14.05.2020

Разработка системы рентгеновской инспекции электронных узлов с микрофокусным излучателем

Разработан высокочувствительный рентгеновский детектор на основе КМОП-сенсора с размером пикселя 50 мкм и концепт системы инспекции для задач неразрушающего контроля электронных узлов. Ключевыми параметрами детектора являются предельное пространственное разрешение 10 пл/мм, скорость считывания 30 кадров/с, диапазон анодного напряжения от 20 до 300 кВ.

Введение

В микроэлектронном производстве рентгеновский неразрушающий контроль (РК) используют как один из основных методов диагностики качества паяных соединений. При этом приемниками излучения служат системы визуализации, принадлежащие к различным этапам развития техники:рентгеновская пленка, CR-системы, усилители рентгеновского изображения, цифровые детекторы. Преимуществами цифровых приемников рентгеновского изображения являются большой динамический диапазон, высокая чувствительность, линейность регистрации, быстрота получения изображения [1].

Актуальной задачей импортозамещения является техническое перевооружение организацийрадиоэлектронной отрасли на основе передовых технологий, в частности обеспечение потребностей микроэлектронной промышленности в системах рентгеновской инспекции с микрофокусным излучателем [2].

Рентгеновская инспекция позволяет выявить различные дефекты электронных узлов: пустоты в паяных соединениях, отсутствие контакта после монтажа BGA-компонентов, деформацию или повреждение контактов .

Отечественные аналоги подобных систем до недавнего времени не были представлены на рынке, несмотря на наличие технологии производства микрофокусных излучателей у ряда производителей. Это было обусловлено отсутствием задела и компетенции в области производства рентгеновских детекторов высокого разрешения как плоскопанельных, так и на основе матриц с зарядовой связью (ПЗС). Целью данной работы является формулировка технических требований к системе инспекции электронных узлов на основе плоскопанельного рентгеновского детектора и обсуждение ее применения на действующих предприятиях микроэлектронной отрасли.

Устройство плоскопанельного рентгеновского детектора

Рисунок 1. Схема устройства рентгеновского детектора

Схема детектора изображена на рис. 1 и включает в себя следующие элементы:

• сцинтиллятор;

• волоконно-оптическую плиту;

• КМОП-сенсор;

• считывающую и интерфейсную электронику;

• подсистему питания.

Слой сцинтиллятора предназначен для того, чтобы преобразовать рентгеновское излучение в оптическое. Так как в ряде случаев КМОП-сенсоры обладают низкой стойкостью к рентгеновскому излучению, слой сцинтиллятора и сенсор разносят в пространстве с помощью волоконно-оптической плиты. Во избежание потемнения волоконно-оптической плиты при длительном воздействии рентгена используют добавки церия. Сочетание современного КМОП-сенсора с цериевой волоконно-оптической плитой позволяет создать долговечный и высокочувствительный рентгеновский детектор [4].

Наиболее востребованными на международном рынке являются сцинтилляторы на основе йодидацезия (Csl) и оксисульфида гадолиния (GOS). Различия между ними заключаются в структуре материала.

Слой Csl структурирован и состоит из иглоподобных кристаллов со средним диаметром порядка10 мкм [5]. Свет распространяется с минимальным рассеянием, что гарантирует лучший контраст, однако такой сцинтиллятор имеет эффект послесвечения, что затрудняет его применение в системах компьютерной томографии или томосинтеза [6].

Слой неструктурированного GOS обладает более эффективным поглощением рентгеновского излучения в низкоэнергетическом диапазоне, что обеспечивает лучшие характеристики по пространственному разрешению.

Кроме того, сцинтиллятор на основе GOS является наиболее доступным на мировом рынке [7].

Толщина слоя сцинтиллятора является еще одним фактором, влияющим на характеристики цифрового детектора.

Увеличение слоя неструктурированного сцинтиллятора GOS приводит к большему рассеянию и уменьшению контраста получаемого изображения. В отношении структурированного сцинтиллятора Csl толщина слоя является функцией от используемой энергии рентгеновского излучения, обеспечивая его максимальное поглощение. При работе в диапазоне анодного напряжения до 70-80 кВ сцинтиллятор на основе GOS толщиной 100-200 мкм дает более высокое значение функции передачи модуляции (MTF). В диапазоне от 100 до 300 кВ и выше более подходящим решением является Csl [8, 9].

При проведении неразрушающего контроля электронных узлов применяют источники рентгеновского излучения до 150 кВ [10], что обусловлено малым коэффициентом ослаблением материала печатной платы. Таким образом, оптимальными являются сцинтилляторы со слоем GOS или тонкослойный на основе Csl.

Примеры детекторов на базе КМОП-сенсоров

Внешний вид рентгеновских детекторов, разработанных по описанной выше технологии, с использованием КМОП-сенсора с размером пикселя 50 мкм представлен на рис. 2. Формат активной зоны детекторов составляет 11,4x14,5 и 22,8x29,1 см.

Рисунок 2. Внешний вид рентгеновских детекторов на основе КМОП-сенсора

Характеристики наиболее распространенных детекторов на базе КМОП-сенсоров приведены в табл. 1. Как видно, минимальным размером пикселя и большим размером активной зоны обладают детекторы модельного ряда «Продис.Марк» и Shad-о-Вох 6К HS, что позволяет получить максимальное пространственное разрешение и уменьшить размер распознаваемого дефекта.

Таблица 1. Характеристики наиболее распространенных моделей детекторов на базе КМОП-сенсоров

Основным параметром рентгеновской системы является ее пространственное разрешение. Данную характеристику определяют размером фокального пятна излучателя, пикселем детектора, качеством рентгеновского излучения, а также коэффициентом геометрического увеличения.

Для измерения пространственного разрешения применяют эталон ЛМА, разработанный японской ассоциацией производителей проверочной аппаратуры. Он содержит несколько пар ортогональных линий различного размера - от 0,4 до 15 мкм. Минимальный видимый зазор на выбранном геометрическом увеличении определяет пространственное разрешение [11].

Пространственная разрешающая способность может быть выражена как [12]

Здесь R - итоговая пространственная разрешающая способность, пар линий на миллиметр(пл/мм);

Rn - пространственная разрешающая способность детектора (является функцией от размерапикселя), пл/мм;

К- коэффициент геометрического увеличения;

F- размер фокусного пятна, мм.

Для детекторов «Продис.Марк» пространственная разрешающая способность составляет 10 пл/мм.

Из формулы (1) следует, что максимальная разрешающая способность будет получена при увеличении:

График зависимости коэффициента геометрического увеличения при максимальной разрешающей способности от размера фокуса излучателя представлен на рис. 3.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента геометрического увеличения от размера фокуса излучателя

Как видно из графика, увеличение более чем в 100 крат, достаточное для рутинных задач рентuеновской инспекции электронных узлов, возможно при размере фокуса менее 10 мкм. В случае инспекции микроэлектромеханических и микрооптоэлектромеханических систем требуется более высокое разрешение и, соответственно, размер фокуса менее 1 мкм [13]. К сожалению, серийные источники рентгеновского излучения высокой мощности отечественного производства с фокальным пятном менее 5 мкм не представлены на рынке [14], что ограничивает максимальный коэффициент увеличения и спектр применений системы.

Стандартная система инспекции должна обладать следующими характеристиками:

• итоговое пространственное разрешение не менее 25 мкм;

• размещение объекта контроля под углом не менее 30°;

• автоматизированное перемещения объекта;

• геометрическое увеличение - не менее 10 крат[15-17].

В качестве дополнительных инструментов визуализации могут применяться технологии томосинтеза и томографии [18].

Характеристики существующих на рынке систем рентгеновской инспекции настольного формата в сравнении с концепт-моделью отечественной системы представлены в табл. 2. Настольный формат системы выбран как наиболее экономичное решение для мелкосерийного производства электронных узлов.

Как видно из таблицы, отечественная система позволяет достигнуть разрешения в 5 мкм за счет применения детектора с малым размером пикселя, дальнейшее увеличение разрешения возможно при использовании источника рентгеновского излучения с меньшим размером фокуса.

Диапазон анодного напряжения до 150 кВ позволяет использовать систему для РК объектов с высокой степенью ослабления, например электронных узлов с экранированием или электрических соединителей, что недоступно для систем с анодным напряжением менее 80 кВ.

Таблица 2. Сравнение систем рентгеновской инспекции электронных узлов различных марок

Выводы

Разработанные цифровые детекторы для рентгеновского неразрушающего контроля имеют минимальный размер пикселя. Это позволяет достичь высокой чувствительности контроля, которая соответствует мировым стандартам.

Применение микрофокусного излучателя и системы точного перемещения объекта контроля позволяют создать отечественную систему рентгеновской инспекции электронных узлов, не уступающую зарубежным аналогам в своем классе.

Актуальной задачей остается совершенствование технологии производства микрофокусных излучателей и уменьшение размера их фокуса до 10 мкм и ниже, что позволит создать системы рентгеновской микроскопии отечественного производства для инспекции микроэлектромеханических компонентов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:

1. Bernard D., Ainsworth S. Comparing digital and analogue X-ray inspection for BGA, flip chip and csp analysis .

2. Приказ Минпромторга России от 19.08.2016 N° 2918 «Об организации работы в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации по проведению конкурсного отбора на право получения из федерального бюджета субсидий российскими организациями на возмещение части затрат на создание научно-технического задела по разработке базовых технологий производства приоритетных электронных компонентов и радиоэлектронной аппаратуры в рамках государственной программы Российской Федерации»

3. Бернард Д., Уиллис Б. Практическое руководство по использованию X-ray инспекции в производстве радиоэлектронных изделий. М.: Техносфера, 2007. 48 с.

4. Henson T.D., Torrington G.K. Space radiation testing of radiation resistant glasses and crystals. SPIE Proceedings, 2001, vol. 4452, pp. 54-65.

5. Cesium iodide microcolumnar scintillators. Radiation Monitoring Devices, Inc., USA, 2013.

6. Gupta R., Grasruck M., Suess C., Battling S. H., Schmidt B., Stierstorfer K., Popescu S., Brady T., Flohr T. Ultra-high resolutionflat-panel volume CT: fundamental principles, design architecture, and system characterization. European Radiology, 2006,vol. 16, iss. 6, pp. 1191-1205.

7. Larsson J. X-ray detector characterization - a comparison of scintillators. Department of Applied Physics, Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden, 2013.

8. Samei E. Performance of digital radiographic detectors: factors affecting sharpness and noise. Radiology, 2007, vol. 243, iss. 3, pp. 49-61.

9. Nagarkar V. V., Gupta T.K., Miller S.R., Klugerman Y., Squillante M.R., Entine G. Structured Csl(TI) Scintillators for X-ray

Imaging Applications. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1998, vol. 45, iss. 3, pp. 492-496.

10. Bernard D. X-ray tube selection criteria for BGA/CSP X-ray inspection. Proceedings of SMTA International Conference,

Chicago, 2002, September.

11 .JIMA-C006-R. Japan inspection instruments manufacturers’ association, Tokyo, Japan, 2006.

12. Мазуров А.И., Потрахов H.H. Микрофокусная рентгенография в медицине// Медицинская техника. 2011. № 5 (269),С. 30-33.

13. Франк У.Е., Денек Н. Современная технология рентгеновского контроля // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 1. С. 60-62

14. Смещение фокусного пятна рентгеновской трубки с прострельным анодом при длительных экспозициях / Н.Н. Потрахов, А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, И. А. Ларионов // Материалы IV Всероссийской научно-практической конференции производителей рентгеновской техники. СПб.: СПГЭУ «ЛЭТИ». 2017. С. 68-71.

15. ГОСТР55693-2013. Платы печатные жесткие. Технические требования. М.: Стандартинформ, 2014. 62 с.

16. ГОСТР 55744-2013. Платы печатные. Методы испытаний физических параметров. М.: Стандартинформ, 2014. 38 с.

17. Шмаков. М. Выбор системы рентгеновского контроля. Взгляд технолога // Технологии в электронной промышленности. 2006. № 4. С. 60-68

18. Петров С. Современный рентгеновский контроль электронных узлов // Печатный монтаж. 2009. № 4-5. С. 37-40.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Устинов Артем Олегович, ООО «Продис.Тех», 140030, Московская область, Люберецкий район, пос. Малаховка, ул. Лесопитомник, д. 10/1, тел.: +7 (925) 440-01-67

Теги: рентген
234567 Начало активности (дата): 14.05.2020 17:47:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: рентген, детектор, неразрушающий контроль, КМОП-сенсор, BGA-компонент, качество пайки, рентгеновский контроль
12354567899

Разработка системы рентгеновской инспекции электронных узлов с микрофокусным излучателем